Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja



Hasonló dokumentumok
Diszkrét idej rendszerek analízise az id tartományban

Jelek és rendszerek - 4.előadás

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

Jelek és rendszerek előadás

Feladatok a Diffrenciálegyenletek IV témakörhöz. 1. Határozzuk meg következő differenciálegyenletek általános megoldását a próba függvény módszerrel.

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

3. előadás Stabilitás

3. Lineáris differenciálegyenletek

FODOR GYÖRGY JELEK ÉS RENDSZEREK

y + a y + b y = r(x),

Differenciálegyenlet rendszerek

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

DIFFERENCIAEGYENLETEK

Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

Jelek és rendszerek MEMO_03. Pletl. Belépő jelek. Jelek deriváltja MEMO_03

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Matematika III. harmadik előadás

Jelek és rendszerek - 1.előadás

L-transzformáltja: G(s) = L{g(t)}.

differenciálegyenletek

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

Márkus Zsolt Tulajdonságok, jelleggörbék, stb BMF -

2. Analízis az időtartományban

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

Tartalom. Állapottér reprezentációk tulajdonságai stabilitás irányíthatóság megfigyelhetőség minimalitás

Bevezetés az algebrába 2

Differenciálegyenletek december 13.

6. Differenciálegyenletek

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

3. Fékezett ingamozgás

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Polinomok maradékos osztása

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Abszolútértékes egyenlôtlenségek

Fourier-sorok. Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

Reichardt András okt. 13 nov. 8.

Bevezetés az algebrába 2

Jelek és Rendszerek 2. Kidolgozott Témakörök

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Jelek és rendszerek - 7.előadás

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

Segédlet a gyakorlati tananyaghoz GEVAU141B, GEVAU188B c. tantárgyakból

(!), {z C z z 0 < R} K (K: konv. tart.) lim cn+1

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Matematika A3 1. ZH+megoldás

egyenlőtlenségnek kell teljesülnie.

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

1. Vizsgálat az időtartományban Határozza meg az ábrán vázolt diszkrét idejű hálózat állapotváltozós leírásának normál alakját!

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

Kuczmann Miklós. Jelek és rendszerek

Irányításelmélet és technika I.


Elektromosságtan. II. Általános áramú hálózatok. Magyar Attila

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

Tartalom. 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció)

Ideiglenes példatár az Intelligens rendszerek I. kurzus 1. zárthelyi dolgozatához

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Közönséges differenciálegyenletek megoldása Mapleben

Bevezetés az állapottér-elméletbe Dinamikus rendszerek állapottér reprezentációi

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

7. feladatsor: Laplace-transzformáció (megoldás)

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

Irányítástechnika II. előadásvázlat

Négypólusok tárgyalása Laplace transzformációval

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Differenciálegyenletek

Az elméleti mechanika alapjai

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Az előadásokon ténylegesen elhangzottak rövid leírása

Átmeneti jelenségek egyenergiatárolós áramkörökben

Lineáris algebra numerikus módszerei

Feladatok Differenciálegyenletek II. témakörhöz. 1. Határozzuk meg a következő elsőrendű lineáris differenciálegyenletek általános megoldását!

Differenciál egyenletek (rövid áttekintés)

8. DINAMIKAI RENDSZEREK

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

Példatár Lineáris algebra és többváltozós függvények

Hatványsorok, Fourier sorok

7. DINAMIKAI RENDSZEREK

Dr. Kuczmann Miklós. Ez a példatár a tervezett példatár nulladik verziója. További

Számítógép-vezérelt szabályozás- és irányításelmélet

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 12. Név: Nept. kód: Idő: 1. f. 2. f. 3. f. 4. f. 5. f. 6. f. Össz.: Oszt.

Átírás:

Folytonos rendszeregyenletek megoldása 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja A folytonos rendszeregyenletek megoldásakor olyan rendszerekkel foglalkozunk, amelyeknek egyetlen u = u(t) gerjesztése és egyetlen y = y(t) válasza van. A rendszeregyenlet explicit alakja megadja y(t) kifejezését y(τ),u(τ), τ t segítségével. Továbbá kauzális rendszerekre szorítkozunk, vagyis ekkor csak τ t időbeni értékek fordulhatnak elő. A rendszerünk invariáns, vagyis a rendszeregyenlet állandó együtthatós, tehát ezen együtthatók nem függenek a t időtől. Ez azt jelenti, hogy a válasz és a gerjesztés késleltetett értékei nem fordulhatnak elő a rendszeregyenletben. Bevezetve az u gerjesztésű y válaszú, folytonos idejű (FI) invariáns, kauzális, lineáris rendszer rendszeregyenletét y (n) (t) + a 1 y (n 1) (t) + + a n 1 y (1) (t) + a n y(t) = b 0 u (m) (t) + b 1 u (m 1) (t) + + b m 1 u (1) (t) + b m u(t). A választ a t (0, ) intervallumban keressük, amely kiszámításához az n. rendű rendszeregyenleten kívül n darab y(+0), y (1) (+0),...,y (n 1) (+0) kezdeti értéket is ismernünk kell. Ezeket összefoglaló néven kezdeti feltételeknek nevezzük. megj: x (i) (t) = di x(t) dt i y (i) (+0) = di y(t) dt i t=+0 (1) i [0, n 1] Fentiekből következik, ha a gerjesztés belépő, vagyis u(t) = 0, t (,0), akkor y() = 0,...,y (n) = 0, vagyis minden kiindulási érték nulla. Általánosan elmondható, ha az u(t) gerjesztés, illetve valamennyi u i deriváltja véges a t = 0 helyen (itt nem tartalmaznak δ(t) összetevőt), akkor a kezdeti értékek megegyeznek a kiindulási értékekkel Ennek belátására későbbiekben kerül sor. y (i) (+0) = y (i) (), i [0,n 1]. (2) 2. FI rendszeregyenlet megoldása Az (1) rendszeregyenlet megoldásakor az y válasz egy y sz szabad, és y g gerjesztett összetevő összegeként adható meg y(t) = y sz + y g. (3) 1

A szabad válasz a gerjesztetlen rendszer válasza, vagyis ha u(t) = 0 t [0,+ ). Ez a válasz n darab állandót tartalmaz, amelyet a kezdeti értékek figyelembevételével később tudunk meghatározni. A gerjesztett összetevő a rendszeregyenlet egy megoldása, és nem elégíti ki a kezdeti feltételeket. 2.1. A szabad válasz Az előzőekből adódóan a szabad válasz esetén u(t) = 0 t [0,+ ), vagyis y (n) (t) + a 1 y (n 1) (t) + + a n 1 y (1) (t) + a n y(t) = 0. (4) Ennek megoldása t változó exponenciális függvényeinek összegéből adódik. y sz (t) = k 1 e λ1(t) + + k n e λn(t) (5) λ i kiszámításához (4) egyenlet alapján a karakterisztikus egyenletet felírva F(λ) = λ n + a 1 λ n 1 + + a n λ 1 + a n. (6) A (6) karakterisztikus egyenlet gyökeit a rendszeregyenlet sajátértékeinek nevezik. Nyilvánvaló, a sajátértékek száma a rendszeregyenlet fokszámából adódik. Valós együtthatók esetén a sajátértékek vagy valósak, vagy konjugált komplex gyökpárt alkotnak λ i = a i + b i j λ i+1 = a i b i j. (7) A rendszer úgynevezett τ i időállandói a λ i sajátértékekből adódnak τ i = 1 R(λ i ). (8) Továbbiakban olyan rendszeregyenletekkel foglalkozunk, ahol a sajátértékek egyszeres gyökök. 2.2. A gerjesztett válasz Előzőekből adódóan a gerjesztett válasz a rendszeregyenlet egy megoldása, amelynek nem kell kielégítenie a kezdeti feltételeket. Ennek meghatározásához tételezzük fel, hogy a gerjesztő jel t [0, + ) tartományban elemi függvény, vagyis pl. állandó, exponenciális, polinomiális függvény. Dirac δ(t) impulzus esetén (végtelen amplitúdójú)a gerjesztett válasz nulla. Az y g (t) gerjesztett válasz meghatározásához próbafüggvény módszert használjuk, miszerint ezen próbafüggvény hasonló az adott gerjesztéshez. A próbafüggvény felvétele után azt viszzahelyettesítjük a rendszeregyenletbe. Az (1) táblázat néhány FI próbafüggvényt tartalmaz. 2

u(t) C Ce αt (α λ i ) Ce λit (λ i r-szeres pólus) y g (t) A Ae αt At r e λit 1. táblázat. Próbafüggvények 2.3. Az FI válasz Eddigiekből kiderült, hogy y g (t) gerjesztett válasz megoldásával még nem jutunk el a válasz végső alakjáig, hiányzik még y sz (t) szabad válaszban szereplő n számú ismeretlen állandó meghatározása. Ezek a kezdeti feltételek segítségével, egy lineáris egyenletrendszer megoldásával határozhatóak meg y (i) (+0) = y (i) sz (+0) + y (i) g (+0), i = 0,1,...n 1. (9) 3. FI rendszerek stabilitásvizsgálata 3.1. Gerjesztés-válasz stabilitás Egy rendszer gerjesztés-válasz (GV) stabilis, ha bármely korlátos gerjesztéshez korlátos válasz tartozik. Egy lineáris FI invariáns rendszer csak akkor GV stabilis, ha impulusválasza abszolút integrálható + x(t) dt. (10) A szabad összetevőt vizsgálva FI rendszereknél belátható, hogy akkor korlátos, ha minden R(λ i ) < 0. A gerjesztett válasz viszont minden korlátos gerjesztésre korlátos (lásd próbafüggvények). Ha a λ i sajátértékeket általánosan komplex számoknak tekintjük, akkor a GV stabilitás feltétele, hogy a sajátértékek a komplex számsík bal félsíkján helyezkedjenek el. 3.2. Aszimptotikus stabilitás A lineáris, invariáns FI rendszer akkor aszimptotikusan stabilis, ha minden állapotváltozója nullához tart, t esetén bármely kiindulási állapotra: x(t) 0,t,u(t) = 0,t [0, ). (11) Az aszimptotikus stabilitás feltétele FI rendszereknél, hogy R(λ i ) < 0. Ha R(λ i ) 0 feltétel teljesül, vagyis az egyszeres sajátértékek valós része 0, akkor az aszimptotikus stabilitás határhelyzetében van a rendszer. Ilyen válaszok a végtelenben egy periodikus jelhez tartanak. 3

4. Elsőrendű FI rendszeregyenletek megoldása Elsőként az elsőrendű rendszeregyenleteket tárgyaljuk, vagyis y (t) + a 1 y(t) = b 0 u (m) (t) + b 1 u (m 1) (t) + + b m 1 u (1) (t) + b m u(t). (12) 4.1. Feladatok 4.1.1. y (t) + 0.8y(t) = 2s(t) ; y() = 0 (1) s(t) = ε(t) (2) s(t) = δ(t) (3) s(t) = 2ε(t)e.2t Megoldás y(t) = y sz + y g λ 1 + 0.8 = 0 λ 1 =.8 y sz (t) = k 1 e.8t λ 1 =.8 < 0, így GV és aszimptotikusan stabilis. 1. s(t) = ε(t) Próbafüggvény : A A + 0.8A = 2 A = 2.5 y g (t) = 2.5 y(t) = k 1 e.8t + 2.5 y (t)dt + 0.8 ε(t)dt y(+0) y() + 0.8 0 = 2 0 y(+0) = y() = 0 t = +0 y(+0) = 0 = k 1 e 0 + 2.5 k 1 = 2.5 y(t) = 2.5e.8t + 2.5 2. s(t) = δ(t) y g (t) = 0 y(t) = k 1 e.8t y (t)dt + 0.8 δ(t)dt y(+0) y() + 0.8 0 = 2 1 y(+0) = y() + 2 = 2 t = +0 y(+0) = 2 = k 1 e 0 k 1 = 2 4

y(t) = 2e.8t 3. s(t) = 2ε(t)e.2t Próbafüggvény : Ae.2t (Ae.2t ) (t) + 0.8Ae.2t = 2 2ε(t)e.2t A = 20/3 y g (t) = 20 3 e.2t y(t) = k 1 e.8t + 20 3 e.2t y (t)dt + 0.8 2ε(t)e.2t dt y(+0) y() + 0.8 0 = 2 0 y(+0) = y() = 0 t = +0 y(+0) = 0 = k 1 e 0 + 20 3 e0 k 1 = 20 3 y(t) = 20 3 e.8t + 20 3 e.2t 4.1.2. y (1) (t) + 2y(t) = 0.5s(t) ; y() = 3 ; s(t) = 2ε(t) Megoldás y(t) = y sz + y g λ 1 + 2 = 0 λ 1 = 2 y sz (t) = k 1 e 2t λ 1 = 2 < 0, így GV és aszimptotikusan stabilis. Próbafüggvény : A A + 2A = 0.5 2 A = 0.5 y g (t) = 0.5 y(t) = k 1 e 2t + 0.5 y (t)dt + 2 y(t)dt = 0.5 2ε(t)dt y(+0) y() + 2 0 = 0.5 0 y(+0) = y() = 3 t = +0 y(+0) = 3 = k 1 e 0 + 0.5 k 1 = 2.5 y(t) = 2.5e 2t + 0.5 5

4.1.3. y (t) 3y(t) = 2s(t) ; y() = 1 ; s(t) = 5ε(t) Megoldás y(t) = y sz + y g λ 1 3 = 0 λ 1 = 3 y sz (t) = k 1 e 2t λ 1 = +3 > 0, így GV és aszimptotikusan instabil. Próbafüggvény : A A 3A = 2 5 A = 10/3 y g (t) = 10 3 y(t) = k 1 e 3t 10 3 y (t)dt 3 5ε(t)dt y(+0) y() 3 0 = 2 0 y(+0) = y() = 1 Gyakorló feladatok t = +0 y(+0) = 1 = k 1 e 0 10 3 k 1 = 13 3 y(t) = 13 3 e3t 10 3 1. Adja meg az alábbi rendszeregyenletek megoldását! (a) y (t) + 3y(t) = 2s(t), s(t) = ε(t),y() = 0 Megoldás: y(t) = 4 3 (1 e 3t ) (b) y (t)+3y (t)+2y(t) = 1 2 s(t), s(t) = 2e 3t,y() = 2,y () = 1 Megoldás: y(t) = 1 2 e t (8e t e 2t 11) (c) y (t) + 2y (t) + 4y(t) = s(t), Megoldás: y(t) = 1 3 e t (1 + 2cos( 3t)) s(t) = e t,y() = 1,y () = 1 6